Estimados alumnos, en esta página encontrareis teoría y ejercicios relacionados con el Tema 4. Hemos de agradecer la colaboración de vuestro compañero Roberto Cardona en la búsqueda de estos materiales.

Clasificación de los sistemas materiales. Separación de mezclas.

Clasificación de los sistemas materiales
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Mezclas heterogéneas
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Mezclas homogéneas o disoluciones
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Sustancias puras
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¿Cómo diferenciar compuestos de disoluciones?

Clasificación de los sistemas materiales.
Hemos visto que una primera clasificación de la materia estaba en función de su estado de agregación (sólido, líquido, gaseoso). La clasificación que nos interesa en este apartado se corresponde con la composición del sistema material, de acuerdo con esto, los sistemas materiales se clasifican en:

Sustancias puras.
Mezclas de sustancias. Que a su vez se clasifican en:
- Mezclas heterogéneas.
- Mezclas homogéneas, habitualmente llamadas d isoluciones.

Las sustancias presentes en una mezcla se pueden separar por medios puramente físicos (densidad, campo magnético, punto de ebullición, etc.). Seguidamente vamos a ver el significado de cada una de estas clases de sistemas materiales así como el tipo de método que se debe seguir para separar las sustancias en las mezclas.

Mezclas heterogéneas.
Una mezcla heterogénea o sistema material heterogéneo es un sistema material formado por varias sustancias en el que su composición, estructura o propiedades no se mantienen en cualquier punto de su masa, pudiéndose percibir límites de separación entre regiones diversas.
Algunas veces no resulta fácil comprobar si un sistema material es una mezcla heterogénea. Puede que a simple vista encontremos cierta apariencia de regularidad y de uniformidad pero un análisis más cuidadoso puede advertirnos ciertas diferencias. La mayoría de los materiales de uso habitual son heterogéneos y sólo algunos pueden considerarse realmente homogéneos.
La forma de separar las sustancias que forman una mezcla utilizará algunas de las propiedades de las mismas, propiedades que sean diferentes entre las sustancias que la forman.

Así, por ejemplo, si una de las sustancias es atraída por los imanes, utilizaremos un imán para separarla del resto de sustancias que forman la mezcla heterogénea.
Si la diferencia es el tamaño de las sustancias que constituyen la mezcla heterogénea:
- Si todas las sustancias son sólidas y el tamaño es muy diferente, podemos utilizar una criba para dejar pasar las más pequeñas y dejar en la criba las más grandes.
- Para separar sólidos de líquidos podemos:
  - Si la densidad es muy diferente, sólido más denso que el líquido, podemos dejar sedimentar (dejar que con el tiempo el sólido se deposite en el fondo) y coger la parte superior (líquido) volcando ligeramente el vaso que lo contenga (decantación). Previamente podríamos haber centrifugado el sistema para que el sólido quedara más apelmazado en el fondo del vaso (centrifugación) y al volcar pudiéramos separa mayor cantidad de líquido.
  - También podríamos utilizar la filtración: tipo de criba en la que el tamaño de los agujeros es sumamente pequeño.
Si queremos separar líquidos de diferente densidad y no miscibles (no se disuelven unos en otros) podemos utilizar el proceso anterior de decantación:
- Volcando ligeramente el vaso que contiene los líquidos la fase superior la podemos trasvasar a otro recipiente y quedarnos en el vaso con la fase inferior (la de menos densidad).
- Utilizando un embudo de decantación. El embudo de decantación tiene una salida en la parte inferior con una llave de forma que cuando se encuentren bien delimitadas las fases podemos ir separándolas abriendo la llave y separando la parte inferior. Con el embudo de decantación podemos lograr separaciones de líquidos por el método de decantación con una precisión mucho mayor que el simple volcado del vaso.

Resumen de métodos:

Sólido de sólido:
- Imantación si uno de ellos es atraído por imanes.
- Manual si el tamaño lo permite.
- Criba si son de diferentes tamaños.
Sólido de líquido:
- Sedimentación seguido de decantación.
- Sedimentación y centrifugación, seguido de decantación.
- Filtración.
Líquido de líquido, no miscibles:
- Decantación normal.
- Decantación, utilizando el embudo de decantación.

No hay que olvidar que el utilizar uno u otro método depende de las características de las sustancias a separar y de qué interesa obtener de forma más pura.

Mezclas homogéneas o disoluciones.
Una mezcla homogénea es un sistema material homogéneo formado por varias sustancias. Las mezclas homogéneas se llaman disoluciones.
Nos encontramos con disoluciones de sustancias que se encuentran cualquier estado de agregación con otras sustancias que se encuentran en el mismo estado de agregación o en otro diferentes.
En una disolución denominamos disolvente a la sustancia de la mezcla que se encuentra en mayor proporción. Denominamos soluto a la sustancia o sustancias que se encuentran en menor proporción.

Soluto	Disolvente	Comentarios y ejemplos
Sólido	Sólido	Son las aleaciones.
Líquido		Amalgamas.
Gas		El más habitual es el hidrógeno en determinados metales.
Sólido	Líquido	Son las disoluciones más habituales, las que se suelen utilizar en química.
Líquido		Cuando los líquidos se disuelven uno en el otro, por ejemplo alcohol en agua.
Gas		Siempre se suele disolver algo de gas en los líquidos. Por ejemplo, el aire disuelto en el agua, las bebidas gaseosas, etc.
Sólido	Gas	Humo.
Líquido		Niebla.
Gas		Por ejemplo, el más habitual es el aire.

Como se ha dicho anteriormente, los métodos de separación se basan en diferencias entre las propiedades físicas de los componentes de una mezcla. Para las disoluciones, los métodos físicos más habituales son:

Destilación. Este método consiste en separar los componentes de las mezclas basándose en lo volátiles que sean las sustancias que forman la mezcla se utilizan los destiladores. Una sustancia de punto de ebullición bajo se considera “volátil” en relación con las otras sustancias de puntos de ebullición mayor. Hay varios tipos de destilación, la más sencilla es la destilación simple en la que el proceso se lleva a cabo por medio de una sola etapa, es decir, que se evapora el líquido de punto de ebullición más bajo (calentando la mezcla) y se condensa por medio de un refrigerante.
Evaporación y cristalización:
- La evaporación consiste en eliminar el disolvente líquido, quedándonos con el soluto. Para favorecer la evaporación podemos calentar la mezcla o dejar que ocurra lentamente.
- La cristalización es el depósito del sólido disuelto en el líquido por alguno de los siguientes motivos:
  - Por enfriamiento, habitualmente se disuelven mejor los sólidos en los líquidos la aumentar la temperatura. Si nosotros enfriamos deberá tener menos sólido disuelto en el líquido, el sólido que sobra acabará depositándose en el fondo del recipiente (cristalización).
  - Por evaporación, al disminuir la cantidad de disolvente deberá tener menos sólido disuelto, el que vaya sobrando a medida que se evapore el líquido se depositará en el fondo del recipiente (cristalización).
Extracción. Consiste en separar varios solutos disueltos en un disolvente. Se utiliza la diferencia de solubilidad de cada soluto en diferentes disolventes. Se añade un disolvente inmiscible (que no se disuelve) con el disolvente de la mezcla, los solutos se distribuyen entre los dos disolventes: alguno de los solutos será más soluble en el primer disolvente y otro de los solutos en el segundo disolvente. Posteriormente las dos fases se separan como mezclas heterogéneas, por decantación en este caso.
Cromatografía. Las sustancias a separar se distribuyen entre dos fases según la tendencia que tengan a estar más en una de las fases o en la otra. Una fase es la denominada móvil, la que avanza, y la otra es la fase fija. Los más solubles o que retiene mejor la fase fija retrasan su avance y, de esta forma, se separan de los que retiene mejor la fase móvil.

Sustancias puras.

Son sistemas materiales homogéneos formados de un solo tipo de sustancia. Pueden ser de dos tipos:

Simples o elementos. Son sustancias de composición simple y que no pueden descomponerse en otras más sencillas por métodos químicos ordinarios. Son los elementos químicos. Todos los elementos químicos que existen están indicados en la denominada tabla periódica de elementos que puedes consultar en : http://www.quimicaweb.net/tablaperiodica/paginas/tp.htm

Compuestos. Son sustancias formadas por la unión química, o combinación, de dos o más elementos en proporciones fijas, siendo las propiedades del compuesto diferentes de las de sus elementos constituyentes. Los compuestos se pueden descomponer en los elementos que los constituyen por métodos químicos habituales.

¿Cómo diferenciar compuestos de disoluciones (mezclas homogéneas)?

Compuesto	Disolución (mezcla homogénea)
Los constituyentes del compuesto (elementos) se encuentran en proporciones fijas.	Los constituyentes de la mezcla pueden estar en cualquier proporción.
Si al calentar o enfriar alcanzamos la temperatura de fusión o de ebullición, esta se mantiene estable mientras no cambie el estado de agregación de la sustancia.	Si al calentar o enfriar alcanzamos la temperatura de fusión o de ebullición de uno de los componentes de la mezcla; esta temperatura se estabiliza algo, pero en realidad, no se mantiene invariable porque sólo está cambiando el estado de una de las sustancias que forman la mezcla, la otra u otras siguen aumentando su temperatura.Los valores esperados de ebullición y fusión en la mezcla cambian.
Los compuestos se pueden separar en los elementos que lo constituyen por medios químicos.	Las mezclas se pueden separar en las sustancias que la constituyen por medios físicos sencillos.

Sistemas materiales homogéneos y heterogéneos

En la materia existen zonas completamente uniformes y otras heterogéneas formadas por distintos componentes. Para facilitar el estudio de la materia se puede considerar que el Universo se subdivide en dos partes, el sistema y el entorno. Separados por límites reales o imaginarios. La parte homogénea de un sistema, formada por uno o más componentes, con unos límites bien determinados que la separan de las otras partes del sistema y del resto del Universo se denomina fase. El resto del Universo respecto al sistema considerado es el entorno.
De acuerdo con el número de fases, los sistemas se pueden clasificar en homogéneos, constituidos por una sola fase, y en heterogéneos, constituidos por dos o más fases. Entre los sistemas homogéneos cabe destacar las sustancias puras y las soluciones, y entre los heterogéneos, las suspensiones.

• Sustancias puras

Las sustancias puras son sistemas homogéneos, ya que están constituidos por una sola fase sólida, líquida o gaseosa. No se pueden separar mediante métodos físicos en otras más simples. Las sustancias puras tienen unas propiedades características que no dependen de la procedencia, ni de la cantidad de sustancia considerada; sólo varían con los cambios de presión o temperatura. Son propiedades características de las sustancias puras la densidad, el punto de fusión, el punto de ebullición, el calor específico o la forma cristalina, entre otras.
Dentro de las sustancias puras se distinguen dos grandes grupos: los elementos y los compuestos. Elementos
Los elementos químicos son las sustancias puras formadas por un solo tipo de átomos. Al final del s. XX se había caracterizado hasta el elemento 112. A partir de las combinaciones de los elementos se forma la materia del Universo. Algunos elementos son la plata (Ag), el carbono (C), el mercurio (Hg), el azufre (S), el cobre (Cu) y el oro (Au).Compuestos
Los compuestos son sustancias puras con una composición elemental definida. Los compuestos se forman mediante transformaciones químicas (reacciones de síntesis) a partir de sus elementos y se pueden transformar mediante cambios químicos (reacciones de descomposición) en otros más simples o en los elementos que los forman. Por ejemplo, al calentar carbonato de calcio (CaCO3) se obtienen dos óxidos (óxido de calcio, CaO, y dióxido de carbono, CO2), y al descomponer el agua (H2O) se forma oxígeno (O2) e hidrógeno (H2).

Mezclas homogéneas y heterogéneas

Una mezcla es un sistema material formado por dos o más sustancias puras que se encuentran en proporciones variables, y cuyas propiedades varían según la relación de sustancias mezcladas. Los componentes de una mezcla conservan su identidad, pueden ser sólidos, líquidos o gases, y se pueden separar de ella mediante métodos físicos.
Según el número de fases que presentan, las mezclas se clasifican en homogéneas y heterogéneas.

• Mezclas homogéneas

En sentido amplio, se utiliza la palabra disolución para denominar todas las mezclas homogéneas. Las mezclas homogéneas o disoluciones son las formadas por una sola fase sólida, líquida o gaseosa. Las partículas que constituyen las disoluciones tienen un tamaño inferior a 0,001 μm. Un ejemplo de disoluciones sólidas son las aleaciones o mezclas homogéneas de metales, que se utilizan, por ejemplo, en joyería. También el aire es un ejemplo de disolución gaseosa, siempre que no contenga materiales líquidos o sólidos en suspensión. Las disoluciones en sentido estricto son las líquidas, de gran importancia. Coloides
Un coloide o dispersión coloidal es una mezcla homogénea cuyo componente (o componentes) minoritario está constituido por partículas de mayor tamaño que las que constituyen las disoluciones. El intervalo de tamaño de los coloides oscila entre una décima y una milésima de micrómetro (0,1 a 0,001 μm). En estas dispersiones, se denomina fase dispersa al componente minoritario, y medio de dispersión al componente mayoritario. Las partículas que constituyen la fase dispersa no se pueden separar mediante los métodos de separación empleados para las mezclas heterogéneas.
En un coloide, las partículas quedan uniformemente dispersas en el líquido, debido al movimiento de las moléculas de agua que impiden sedimentar a las partículas coloidales (con una masa mayor). Los coloides se pueden desestabilizar de diversas formas: por aplicación de calor, por enfriamiento, por adición de una sustancia ácida, etc.; en todos estos casos se convierten en mezclas heterogéneas que pueden sedimentar o pueden separarse por filtración, un ejemplo de coloide es la fracción líquida de una mezcla de arcilla con agua.

• Mezclas heterogéneas

Las mezclas heterogéneas están constituidas por dos o más fases, ya sean sólidas, líquidas o gaseosas. Ejemplos de mezclas heterogéneas son el granito, la corteza de pino, el agua mineral con gas en un vaso o recipiente abierto, o el agua mezclada con aceite. Usualmente la palabra mezcla se refiere a las mezclas heterogéneas. Suspensiones
Las suspensiones son dispersiones de una o más sustancias en un líquido. Las partículas dispersas son visibles a simple vista o utilizando instrumentos ópticos convencionales. El tamaño de estas partículas es superior a 0,1 μm. Las suspensiones líquido-líquido y líquido-sólido son separables por sedimentación y posterior decantación y, también, por centrifugación. Las suspensiones líquido-sólido son también separables por filtración.

Separación de mezclas

En muchos casos, las industrias farmacéuticas, metalúrgicas y otras muchas precisan trabajar con materias primas muy puras. Por ello uno de los problemas importantes de los químicos consiste en la separación de las mezclas y la purificación de sustancias. Los métodos de separación de mezclas se basan en diferencias entre las propiedades físicas de sus componentes, tales como la densidad, el tamaño de las partículas o la solubilidad. A continuación se citan algunos métodos de separación de mezclas heterogéneas.

• Sedimentación

La sedimentación es un método de separación mediante el cual las partículas del componente insoluble de una suspensión se separan lentamente del medio líquido por gravedad y se depositan en el fondo del recipiente. La sedimentación es un fenómeno que se produce en la naturaleza cuando los materiales suspendidos en ríos, mares, lagos o estanques se depositan en el fondo.
Algunas mezclas heterogéneas constituidas por agregados sólidos de distintos materiales, como muestras de suelo, se pueden separar por sedimentación como consecuencia de las diferencias de densidad de sus componentes. Se procede introduciendo la mezcla sólida en un recipiente que contenga un líquido que no disuelva los sólidos; a continuación se agita fuertemente y se deja en reposo. De este modo los materiales se depositan ordenadamente en el fondo del recipiente. En minería se emplea este sistema para separar los minerales de la ganga.

• Centrifugación

La centrifugación es un procedimiento mecánico de separación de los componentes de una mezcla, de densidades o de tamaños distintos, que se efectúa mediante una centrifugadora. Estos aparatos están formados por uno o más recipientes que giran sobre un eje vertical u horizontal, en el interior de un soporte fijo. Se utilizan para acelerar las sedimentaciones de las suspensiones que de otro modo serían extremadamente lentas. Se aplican a procesos como la separación de la nata de la leche o a la separación de los glóbulos del suero de la sangre.

• Decantación

El procedimiento de decantación consiste en separar diferentes fases no miscibles que presentan una diferencia significativa entre sus densidades. Las fases se recogen en recipientes distintos. Para poder separar por decantación, una de las fases debe ser líquida. En el caso de las suspensiones líquido-sólido, en primer lugar se dejan sedimentar y, una vez se han separado las capas, se procede a inclinar el recipiente o decantador y, de este modo, verter el líquido claro (libre de sólidos). Otro modo consiste en la succión del líquido desde una altura un poco superior a la interfase líquido-sólido.
En el caso de mezclas de líquidos inmiscibles, la decantación se puede realizar utilizando un embudo de decantación. La mezcla, dentro del embudo, se agita y luego se deja en reposo hasta que se aprecia claramente la separación entre fases. Por último se extrae cada fase.

• Filtración

El procedimiento de filtración consiste en retener partículas sólidas por medio de una barrera consistente en mallas, fibras, material poroso o rellenos sólidos. Debido a la gravedad, la fase líquida pasa a través de un medio permeable en el que la fase sólida es retenida. Otra forma más rápida de filtrar consiste en crear un gradiente de presiones (por ejemplo, a partir de una bomba de agua), de manera que, además de la gravedad, haya una fuerza adicional debida a la diferencia de presiones.
La sustancia sólida acumulada en el soporte forma una capa que también actúa de medio filtrante, con lo que deja pasar el líquido por los numerosos pequeños canales que lo atraviesan. La velocidad de filtración depende de la superficie del filtro, de la viscosidad del líquido, del grosor de la capa sólida acumulada en el soporte y del gradiente de presión.

• Sublimación

La separación por sublimación aprovecha la propiedad de algunas sustancias de pasar directamente del estado sólido al estado vapor (sublimación) sin pasar por el estado líquido. El yodo (I2) y el naftaleno (C10H8) poseen esta propiedad a presión atmosférica. Estas sustancias se pueden separar de una mezcla por calefacción de la misma y posterior enfriamiento del vapor: el calentamiento de la mezcla produce la sublimación de la sustancia y, posteriormente, los vapores, al entrar en contacto con un sistema frío, pasan a estado sólido.